IV STEP: IL PRINCIPIO FISICO ALLA BASE DELL'INVENZIONE

Nonostante le notevoli innovazioni nel campo dell’aeronautica, è ancora elevato numero di incidenti aerei associati al fenomeno dello stallo.

La condizione di stallo è la condizione di drastica riduzione della portanza di generata da un sistema portante, come un’ala, dovuta al distacco della corrente fluida dal dorso, che si ha quando si supera l'incidenza critica o quando si vola ad una velocità di sotto di quella detta ‘’di stallo’’.  

De La Cierva, dopo aver sofferto per la perdita di alcuni amici in alcuni incidenti aerei di questo tipo, si dedicò al tentativo di risolvere questo problema.

L'idea alla base del progetto fu quindi quella di progettare un velivolo che potesse non stallare mai e la soluzione adottata fu quella di un'ala rotante.

De La Cierva trovò la soluzione che gli permise di introdurre un'innovazione notevole, ovvero lo sviluppo del rotore con pale articolate, dotando quindi le pale del movimento di flappeggio.

Tale soluzione permette alle pale del rotore di potersi muovere in alto ed in basso rispetto al piano verticale, senza un cambiamento sensibile dell’incidenza geometrica. In sostanza, le pale così articolate possono sollevarsi nella fase di avanzamento contro il vento relativo ed abbassarsi nella fase di retrocessione, recuperando così parte della portanza che andava perduta con un rotore completamente rigido.

Un autogiro durante il volo è in una condizione permanente definita come autorotazione, poiché il rotore gira a folle, cioè libero da qualsiasi vincolo meccanico ad un motore. Esso vola proprio come volerebbe un aeroplano, in cui le ali vengono investite dal vento relativo producendo portanza.

Il rotore gira spontaneamente attraverso l’azione aerodinamica del flusso d’aria che attraversa le pale ad una data velocità, generando una forza di sostentamento che contribuisce alla generazione della portanza.

Si può sintetizzare l’idea in linea di massima immaginando il rotore di un autogiro investito da una corrente aerodinamica in grado di mantenerlo in rotazione spontanea che attraversi il rotore dal basso verso l'alto, proprio come un aquilone ma avente ali rotanti invece che fisse.

Perché queste condizioni di volo si verifichino in sicurezza, è necessario garantire l’avanzamento del velivolo ad una certa velocità.  Per questo l’autogiro è provvisto di motore accoppiato ad un’elica che può essere spingente o traente, che permette al velivolo il movimento traslato orizzontale e che è montata posteriormente rispetto all’abitacolo del pilota.

Il rotore nell’autogiro si comporta proprio come un’ala, generando portanza attraverso la formazione di un disco rotore.

Schema delle forze aerodinamiche agenti sul velivolo

L'azione del vento relativo genera una forza verso l’alto, ma anche una componente resistiva. Questo sistema di forze si traduce in una risultante inclinata all'indietro e perpendicolare al piano di rotazione del rotore, chiamata portanza risultante. La spinta in avanti generata dal motore ed il peso del velivolo si contrappongono alla spinta generata dal rotore (e quindi alla portanza risultante) generando un ulteriore sistema di forze che punta verso il basso, che si traduce nel peso risultante. L'equilibrio tra queste forze mantiene l'autogiro in un bilanciamento che garantisce l'equilibrio e quindi il volo.

I due sistemi di forze non agiscono sullo stesso centro di pressione, ma sono orizzontalmente distanti tra loro, e questo genera una coppia che fa in modo che l'autogiro possa ruotare intorno al suo asse trasversale per effettuare la cabrata (decollo) e la picchiata (atterraggio).

Durante la fase di volo in auto rotazione il disco rotore viene diviso in tre regioni distinte.

Suddivisione del disco rotore

Nella stall region (o regione di stallo) sono concentrate le articolazioni e tutti i meccanismi che regolano il movimento della pala. Questa zona copre una superficie del 25% del disco, ed in questa area si generano delle turbolenze e quindi delle resistenze (DRAG), che riducono l’efficienza del volo in auto rotazione. Tale resistenza ha valori simili a quelli della portanza che viene generata in questa regione, perciò non si riesce a renderla efficiente per il volo in autorotazione.

La driving region (o regione autorotativa) è l’area più estesa del disco rotore. In questa zona, le forze aerodinamiche come la spinta (TRT) e la portanza (LIFT) sono leggermente inclinate in avanti rispetto all’asse di rotazione della pala.

La driven region infine è la zona periferica della pala. La forza aerodinamica che agisce sulle pale risulta essere leggermente inclinata all’indietro rispetto all’asse di rotazione della pala stessa. Come risultato, si genera una maggiore resistenza a parità di portanza, ma grazie alla resistenza indotta dai vortici marginali, l’ala tende ad assumere un comportamento analogo a quello che avrebbe nelle condizioni normali di volo. Le dimensioni di questa regione tendono a variare con il numero di giri e la densità dell’aria.

Direzioni delle forze aerodinamiche sulle pale al variare della zona del disco rotore

Prima del decollo, il rotore viene solitamente messo in rotazione dal motore tramite una presa di forza, che viene poi staccata durante il decollo trasferendo piena potenza al propulsore.

Per l'atterraggio, è sufficiente diminuire la spinta propulsiva: la quota, trasformata in energia cinetica, mantiene il rotore in autorotazione e l'aeromobile atterra dolcemente, potendo scendere eventualmente anche quasi in verticale.

Sitografia:

(Enciclopedia Treccani), Dizionario delle scienze fisiche: https://www.treccani.it/enciclopedia/stallo_%28Dizionario-delle-Scienze-Fisiche% <ultimo accesso 19/11/2021>

(Emiliano Benvenuti), Autogiro: https://www.skyscooter.it/autogiro/#prettyPhoto ultimo accesso <19/11/2021>

(Gino D'Ignazio ), Autogiro: http://www.gizio.it/aerodinaelicottero/Autorotazione.htm ultimo accesso <19/11/2021>